半柔性聚合物网络中自驱动粒子的主动扩散

网状结构（如黏液凝胶或细胞骨架网络）在生物系统中普遍存在。这些复杂结构由交联的半柔性生物丝组成，对众多生物过程至关重要。在许多生物系统中，诸如马达蛋白或细菌等主动自驱动粒子在这些复杂的聚合物网络中穿行。在本研究中，我们构建了由半柔性丝组成的三维立方拓扑溶胀聚合物网络的计算模型。我们执行 Langevin 动力学模拟，以研究在这些网络中穿行的主动示踪粒子的扩散。通过分析各种物理可观测量，我们研究了网格尺寸与粒子尺寸之比、主动粒子的 Péclet 数以及聚合物网络的弯曲刚度对示踪粒子主动捕获-跳跃扩散的影响。当示踪粒子尺寸等于或大于网格尺寸时，聚合物刚度显著增强捕获并抑制跳跃过程。值得注意的是，平均捕获时间随弯曲刚度呈指数增长规律，其斜率依赖于活动性。我们发展了基于主动粒子在谐势中平均首达时间的解析理论。我们的发现加深了对聚合物弯曲刚度、示踪粒子尺寸与示踪粒子活动性之间复杂相互作用的理解。这些知识可为依赖于生物凝胶内主动粒子行为的重要生物过程（如马达驱动的货物运输或药物递送）提供启示。